JP2009162122A - 排気通路構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】コストが嵩むことなく尿素水を確実に衝突させて微粒化させつつ排気ガス中への尿素水の分散性能を高め、かつ排気ガスの流れ方向下流側での背圧の上昇を抑えることができる排気通路構造を提供する。
【解決手段】排気ガス浄化装置2の上流側に、尿素水を噴射する添加剤噴射装置3が設けられた排気通路構造として、添加剤噴射装置3よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路1に、その内部を排気ガスの流れ方向に沿って延びて2つの通路12,13に区画する平板状の区画壁14を設ける。この区画壁14に、排気ガスの流れ方向下流側の添加剤噴射装置3付近において2つの通路12,13をそのまま上下に区画するように略水平に延設された延設部141を設け、この延設部141の上面側に対し、噴射ノズル31の噴射口32から排気通路1を横切るように噴射された尿素水を衝突させている。
【選択図】図1
【解決手段】排気ガス浄化装置2の上流側に、尿素水を噴射する添加剤噴射装置3が設けられた排気通路構造として、添加剤噴射装置3よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路1に、その内部を排気ガスの流れ方向に沿って延びて2つの通路12,13に区画する平板状の区画壁14を設ける。この区画壁14に、排気ガスの流れ方向下流側の添加剤噴射装置3付近において2つの通路12,13をそのまま上下に区画するように略水平に延設された延設部141を設け、この延設部141の上面側に対し、噴射ノズル31の噴射口32から排気通路1を横切るように噴射された尿素水を衝突させている。
【選択図】図1
Description
本発明は、エンジンの排気通路に配置された排気ガス浄化装置の上流側において排気通路内に添加剤を噴射するようにした排気通路構造に関する。
一般に、エンジン、特にディーゼルエンジンの排気ガス中には、一酸化窒素などの燃焼によって生じる窒素酸化物(以下では、NOxという)などの有害物質が含まれており、大気の汚染を防ぐために、このような有害物質の排出量を低減させることが強く要請されている。また、燃焼室内に直接ガソリンを噴射する方式の、いわゆる筒内噴射ガソリン機関からも、運転条件によっては排気ガスとともにNOxが排出される場合があり、同様の要請が存在する。
そのため、排気ガスとともに排出されるNOxを浄化する上で、三元触媒を備えた排気ガス浄化装置を排気通路に設けることが行われている。
しかし、このような三元触媒を備えた排気ガス浄化装置では、エンジンの種類によって十分な効果が得られないことがある。例えば、希薄燃焼(リーンバーン)を行うディーゼルエンジンでは、排気ガスが酸素過剰雰囲気にあるため、燃料成分(HC)と酸素とが反応(燃焼)し易く、三元触媒によるNOxの十分な浄化が困難となる。
そこで、排気通路にゼオライト系触媒を備えた排気ガス浄化装置を設け、この排気ガス浄化装置よりも上流側において、排気ガス中に燃料成分(HC成分)を添加することによって、NOxを効率よく浄化することが行われている(例えば、特許文献1参照)。
また、排気通路に選択還元型のNOx触媒を備えた排気ガス浄化装置を設け、この排気ガス浄化装置よりも上流側において、排気ガス中に尿素を添加することによって、排気ガス中のNOxを効率よく浄化することも行われている(例えば、特許文献2参照)。
ところで、排気ガス中へ添加される燃料成分や尿素等の添加剤は、排気ガス浄化装置によるNOxの浄化性能を高める上で、排気ガス中に効率よく分散させる必要がある。
そのため、従来より、排気通路内における添加剤(燃料成分や尿素)の添加位置と排気ガス浄化装置との間に、ガス混合促進体を有する整流格子を設け、この整流格子によって排気ガスを流れ方向に仕切ることで、排気ガス中に添加剤を効率よく分散させるようにしたものが知られている(例えば、特許文献3参照)。
実開平3−68516号公報
特開2005−113688号公報
特開平10−165763号公報
ところが、上記従来のものでは、整流格子からなる添加剤分散板が排気ガスの流れ方向と直交する方向に配置されているため、排気通路内における排気ガスの流路面積(排気通路の断面積)が添加剤分散板およびガス混合促進体(ガス旋回体およびガス撹拌体)によって大きく減少し、よって、排気ガスの流れ方向下流側での背圧が著しく上昇する。
しかも、添加剤分散板は、仕切板を縦方向および横方向に組み合わせて構成されている上、ガス混合促進体が仕切板より突設されたガス旋回体や仕切板よりへの字状に屈設されたガス撹拌体により構成されているため、構造が非常に複雑なものとなり、コストが嵩むことになる。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コストが嵩むことなく添加剤を確実に衝突させて微粒化させつつ排気ガス中への添加剤の分散性能を高め、かつ排気ガスの流れ方向下流側での背圧の上昇を抑えることができる排気通路構造を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明では、エンジンの排気通路に配置された排気ガス浄化装置の上流側に、上記排気通路内に添加剤を噴射する添加剤噴射装置が設けられた排気通路構造を前提とする。更に、上記添加剤噴射装置よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路を、その内部を排気ガスの流れ方向に延びる区画壁によって複数の通路に区画している。そして、上記区画壁に、上記添加剤噴射装置と向き合うように排気ガスの流れ方向下流側へ延設された延設部を設けている。
この特定事項により、添加剤噴射装置から排気通路を横切るように噴射された添加剤は、添加剤噴射装置よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路の内部を排気ガスの流れ方向に延びて区画する区画壁より排気ガスの流れ方向下流側へ延設されて添加剤噴射装置と向き合う延設部に衝突することになる。これにより、添加剤が延設部との衝突によるエネルギーを利用して微粒化され、排気ガス中に添加剤を効率よく分散させ、延設部が途切れた排気通路内の合流部において合流する他の通路内の排気ガス中にも添加剤を効率よく分散させることが可能となる。
その上、延設部が排気通路の内部を排気ガスの流れ方向に延びる区画壁より延設されたものであることから、排気通路における排気ガスの流路面積(排気通路の断面積)が区画壁の延設部によって大きく減少することがなく、区画壁の延設部における排気ガスの流れ方向下流側での背圧の上昇を十分に抑えることが可能となる。しかも、延設部が既存の区画壁より排気ガスの流れ方向下流側に延設されたものであることから、添加剤噴射装置からの添加剤を衝突させるに当たって延設部を新たな部材より排気ガスの流れ方向下流側へ延設する必要がなく、延設部自体が非常に簡単な構成となる上、既存の区画壁を流用して延設部を非常に安価に提供することが可能となる。
また、上記添加剤噴射装置からの添加剤が衝突する上記延設部の衝突部位において開口する孔部を設けている場合には、添加剤噴射装置から排気通路を横切るように噴射された添加剤は、延設部との衝突によるエネルギーを利用して微粒化されるとともに、孔部を介して延設部の反添加剤噴射装置側の通路にも導かれ、区画壁により区画された複数の通路内を流れる排気ガス中に添加剤を満遍なく分散させることが可能となる。
更に、上記添加剤噴射装置からの添加剤が衝突する衝突部位よりも排気ガスの流れ方向上流側の上記区画壁、および上記衝突部位よりも排気ガスの流れ方向下流側の上記延設部の少なくとも一方に、その一方を上記排気通路の軸線回りに捩った捩り部を設けている場合には、添加剤噴射装置から噴射された添加剤は、延設部との衝突によるエネルギーを利用して微粒化されるとともに、捩り部によって旋回する排気ガスの流れに乗って撹拌される。これにより、延設部が途切れた排気通路内の合流部において合流する各通路内からの排気ガスに添加剤が効率よく分散されることになり、排気ガス中への添加剤の分散性能を促進することが可能となる。
以上、要するに、添加剤噴射装置よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路の内部を区画する区画壁を排気ガスの流れ方向下流側に延設して添加剤噴射装置と向き合う延設部に添加剤噴射装置から噴射した添加剤を衝突させることで、添加剤を区画壁の延設部との衝突によるエネルギーを利用して微粒化し、排気ガス中に添加剤を効率よく分散させることができるとともに、延設部が途切れた排気通路内の合流部において合流する他の通路内の排気ガス中にも添加剤を効率よく分散させることができる。また、排気通路の内部を排気ガスの流れ方向に延びる区画壁より延設部を延設していることにより、排気通路内での延設部による排気ガスの流路面積の大きな減少をなくして延設部における排気ガスの流れ方向下流側での背圧の上昇を十分に抑えることができるとともに、既存の区画壁を流用しつつ延設部自体を非常に簡単な構成にして添加剤を分散する延設部を非常に安価に提供することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の実施例1に係る排気通路構造を用いた車両用ディーゼルエンジンの排気通路を示している。この図1において、排気通路1の途中には、排気ガス浄化装置2が設けられている。この排気ガス浄化装置2は、酸素共存下でも選択的に排気ガス中のNOxを還元剤(添加剤)と反応させる性質を備えた選択還元型触媒21を装備している。この選択還元型触媒21は、排気通路1内を流れる排気ガス中のNOxを還元剤により還元浄化するもので、セラミックのコーディライトやFe−Cr−Al系の耐熱鋼から成るハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、例えばゼオライト系の活性成分が担持されている。そして、上記触媒担体に担持された活性成分は、還元剤の供給を受けて活性化し、NOxを効果的に無害物質に浄化させる。この場合、選択還元型触媒21を使ったNOx低減手法をSCR(Selective Catalytic Reduction)と呼び、還元剤として尿素を使うものは特に尿素SCRと呼ばれている。
そして、排気ガス浄化装置2(選択還元型触媒21)の排気ガス流れ方向の上流側には、還元剤としての尿素水(添加剤)を噴射する添加剤噴射装置3の噴射ノズル31が配設されている。この噴射ノズル31は、排気通路1の周壁部の上方位置、つまり排気通路1の周壁部上端に基端が連結された枝管11の先端位置に設けられ、その噴射口32より尿素水を排気ガス浄化装置2の排気ガス流れ方向上流側に供給している。また、噴射ノズル31には、尿素水と共に圧縮空気が供給され、該尿素水を霧化して噴射口32より噴射供給するようになっている。そして、噴射ノズル31の噴射口32は、噴射された尿素水が排気通路1を横切るように、排気通路1の周壁部上方位置より排気ガスの流れ方向に対し斜め下流側に向けて配置、つまり排気通路1の軸線mに対し適宜の角度(例えば略45°)で排気ガスの流れ方向下流側に斜めに傾斜して配置されている。この場合、尿素水は、貯蔵タンクに貯留され、合成樹脂製の供給管を介して噴射ノズル31に供給される。なお、図1中における破線は、噴射口32から噴射された尿素水の噴射範囲を示し、この噴射範囲は、噴射軸線(図1に一点鎖線で示す)に対し4.5°ずつ角度を有して9°に設定されている。
また、噴射ノズル31の噴射口32から噴射供給された尿素水は、排気通路1内の排気熱により加水分解してアンモニアを容易に発生する。得られたアンモニアは、選択還元型触媒21において排気中のNOxと反応し、水および無害なガスに浄化される。尿素水は、固体もしくは粉体の尿素の水溶液で、貯蔵タンクに貯留されており、供給管を通じて噴射ノズル31に供給されるようになっている。なお、噴射ノズル31で噴射供給する還元剤(添加剤)としては、尿素水の他に、アンモニア水溶液や炭化水素水溶液などが適用されていてもよい。
そして、図2にも示すように、添加剤噴射装置3よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路1は、その内部を排気ガスの流れ方向に沿って延びて2つの通路12,13に区画する平板状の区画壁14を有し、この区画壁14によってθパイプを構成している。この区画壁14には、排気ガスの流れ方向下流側の添加剤噴射装置3付近において2つの通路12,13をそのまま上下に区画するように略水平に延設された延設部141が設けられている。この延設部141の上面側は、噴射ノズル31の噴射口32(添加剤噴射装置3)と向き合っていて、その噴射口32から排気通路1を横切るように噴射された尿素水が衝突するようになっている。そして、2つの通路12,13は、それぞれの上流端が排気マニホールドに個別に連結され、区画壁14の延設部141が途切れた排気通路1内の合流部において複数気筒からの排気ガスを合流させるようにしている。この場合、延設部141は、添加剤噴射装置3よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路1を構成するθパイプの区画壁14を排気ガスの流れ方向下流側に延設してなるものである。
したがって、上記実施例1では、噴射ノズル31の噴射口32から排気通路1を横切るように噴射された尿素水は、排気ガス浄化装置2よりも排気ガス流れ方向上流側の排気通路1の内部を上下の通路12,13に区画する区画壁14より排気ガスの流れ方向下流側に略水平に延設された延設部141の上面側と衝突するので、尿素水が区画壁14の延設部141との衝突によるエネルギーを利用して微粒化され、上側の通路12内を流れる排気ガス中に尿素水を効率よく分散させることができるとともに、区画壁14の延設部141が途切れた排気通路1内の合流部において合流する下側の通路13内の排気ガス中にも尿素水を効率よく分散させることができる。
その上、延設部141が区画壁14より排気ガスの流れ方向下流側へ向かってそのまま延設されたものであることから、排気通路1における排気ガスの流路面積(排気通路の断面積)が延設部141によって大きく減少することがなく、延設部141における排気ガスの流れ方向下流側での背圧の上昇を十分に抑えることができる。
更に、延設部141は、添加剤噴射装置3よりも排気ガス流れ方向上流側の排気通路1を構成するθパイプの区画壁14を排気ガス流れ方向下流側に延設して構成されているので、噴射ノズル31の噴射口32からの尿素水を衝突させるに当たって排気ガスの流れ方向下流側に延設する延設部を新たな部材によって構成する必要がなく添加剤噴射装置3よりも排気ガス流れ方向上流側の排気通路1を構成するθパイプの区画壁14を流用して、この区画壁14より延びる延設部141を非常に安価に提供することができる。
次に、本発明の実施例2を図3に基づいて説明する。
この実施例では、延設部の構成を変更している。なお、延設部を除くその他の構成は上記実施例1の場合と同じであり、同一部分については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
すなわち、本実施例2では、図3に示すように、延設部142は、添加剤噴射装置3よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路1の内部を2つの通路12,13に区画する区画壁14より排気ガスの流れ方向下流側に延設されたものであり、その上面に対し噴射口32から噴射された尿素水が衝突する衝突部位において開口する孔部41が設けられている。この孔部41は、噴射口32から噴射された尿素水の噴射範囲よりも若干排気ガスの流れ方向下流側となる延設部142の下流端部付近に設けられ、この延設部142より上向き(噴射口32側)に切り起こされた切り起こし部分143により開口して形成されてなる。この場合、切り起こし部分143は、排気ガスの流れ方向下流端を起点にして排気ガスの流れ方向上流側に傾斜している。
したがって、上記実施例2では、噴射ノズル31の噴射口32から排気通路1を横切るように噴射された尿素水は、延設部142の上面側との衝突によるエネルギーを利用して微粒化されるとともに、孔部41を介して延設部142の反噴射口32側(反添加剤噴射装置3側)となる下側の通路13にも導かれ、区画壁14により区画された上下の通路12,13内を流れる排気ガス中に尿素水を満遍なく分散させることができる。
次に、本発明の実施例3を図4および図5に基づいて説明する。
この実施例では、区画壁および延設部の構成を変更している。なお、区画壁および延設部を除くその他の構成は上記実施例1の場合と同じであり、同一部分については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
すなわち、本実施例3では、図4に示すように、添加剤噴射装置3よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路1は、その内部を排気ガスの流れ方向に沿って略鉛直に延びて左右2つの通路12,13に区画する平板状の区画壁15を有し、この区画壁15によってθパイプを構成している。この区画壁15は、図5の(a)〜(c)にも示すように、排気通路1の軸線m回りに略90°捩られた捩り部150を備え、この捩り部150よりも排気ガスの流れ方向下流側の排気通路1内を略水平に延びて上下2つの通路12,13に区画している。そして、区画壁15は、捩り部150より排気ガスの流れ方向下流側の添加剤噴射装置3付近まで略水平に延設された延設部151を有し、この延設部151によって、2つの通路12,13をそのまま上下に区画している。この延設部151の上面側には、噴射ノズル31の噴射口32から排気通路1を横切るように噴射された尿素水を衝突させる衝突部位が設けられ、捩り部105は、衝突部位よりも排気ガスの流れ方向上流側に位置している。そして、2つの通路12,13は、区画壁15の延設部151が途切れた排気通路1内の合流部において複数気筒からの排気ガスを合流させるようにしている。
この場合、延設部151は、添加剤噴射装置3よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路1を構成するθパイプの区画壁15を排気ガスの流れ方向下流側に延設してなるものである。
したがって、上記実施例3では、噴射ノズル31の噴射口32から噴射された尿素水は、延設部151の上面側との衝突によるエネルギーを利用して微粒化されるとともに、区画壁15の捩り部150により旋回する排気ガスの流れに乗って撹拌され、延設部151が途切れた排気通路1内の合流部において合流する各通路12,13内からの排気ガスに効率よく分散されることになり、排気ガス中への尿素水の分散性能を促進することができる。
次に、本発明の実施例4を図6に基づいて説明する。
この実施例では、排気通路の一部、区画壁および延設部の構成を変更している。なお、排気通路の一部、区画壁および延設部を除くその他の構成は上記実施例1の場合と同じであり、同一部分については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
すなわち、本実施例4では、図6に示すように、それぞれの上流端が排気マニホールドに個別に連結された2つの通路12′,13′が排気通路1に連結されている。各通路12′,13′は、それぞれ円筒状に形成され、排気通路1に対し継手通路5を介して連結されている。継手通路5は、各通路12′,13′の排気ガス流れ方向下流端がそれぞれ連結されるように二股状に分岐する分岐部51を排気ガス流れ方向上流端に有し、ほぼ断面真円弧状の各通路12′,13′を断面略半円弧状に変形させて排気通路1内に上下2つの通路12,13が構成されるようにしている。そして、分岐部51には、そのほぼ中心(軸線m上)を排気ガスの流れ方向下流側に向かって略水平に延びる平板状の区画壁16,16が設けられ、この各区画壁16によって、各通路12′,13′を排気通路1内において上下2つの通路12,13に区画している。
また、継手通路5は、その周壁部上端に基端が連結された枝管52を有し、この枝管52の先端位置に噴射ノズル31が設けられている。この噴射ノズル31の噴射口32は、噴射された尿素水が排気通路1を横切るように、継手通路5の周壁部上方位置より排気ガスの流れ方向に対し斜め下流側に向けて配置、つまり排気通路1の軸線mと同一軸線上の軸線(軸線m)に対し適宜の角度(例えば略45°)で排気ガスの流れ方向下流側に斜めに傾斜して配置されている。
そして、区画壁16のうちの一方(図6では上側)の区画壁16は、排気ガスの流れ方向下流側の添加剤噴射装置3付近において2つの通路12,13をそのまま上下に区画するように略水平に延設された延設部161を有し、この延設部161の上面側に対し、噴射ノズル31の噴射口32から排気通路1を横切るように噴射された尿素水を衝突させている。また、噴射口32から噴射された尿素水が衝突する延設部161の衝突部位には、口径5mm程度の複数の孔部42,42,…が設けられている。この場合、延設部161の衝突部位は、各孔部42によって開口率50%となっていて、排気通路1内での異音の発生を抑制する機能を有している。なお、図6中における破線は、噴射口32から噴射された尿素水の噴射範囲を示し、この噴射範囲は、噴射軸線(図6に一点鎖線で示す)に対し4.5°ずつ角度を有して9°に設定されている。
したがって、上記実施例4では、噴射ノズル31の噴射口32から排気通路1を横切るように噴射された尿素水は、延設部161の上面側との衝突によるエネルギーを利用して微粒化されるとともに、複数の孔部42,42,…を介して延設部161の反噴射口32側(反添加剤噴射装置3側)となる下側の通路13にも十分に導かれ、区画壁16により区画された上下の通路12,13内を流れる排気ガス中に尿素水を満遍なく分散させることができる。
しかも、上流端が排気マニホールドに個別に連結された2つの通路12′,13′が継手通路5を介して排気通路1に連結されているので、各通路12′,13′および排気通路1からなる排気系路の組立を簡単に行え、排気系路の組立性の向上を図ることができる。
なお、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、その他種々の変形例を包含している。例えば、上記実施例1ないし3では、添加剤噴射装置3よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路1を、平板状の区画壁14,15によってθパイプを構成するようにしたが、円筒状に形成された2つの通路が連結される排気通路であってもよい。この場合、排気通路は、各通路の排気ガス流れ方向下流端がそれぞれ連結されるように二股状に分岐する分岐部を排気ガス流れ方向上流端に有し、ほぼ断面真円弧状の各通路を断面略半円弧状に変形させて排気通路1内に上下2つの通路が構成されることになる。
また、上記実施例3では、捩り部105を延設部151の衝突部位よりも排気ガスの流れ方向上流側に位置する区画壁15に設けたが、衝突部位よりも排気ガスの流れ方向下流側に位置する延設部の下流端側に、もしくは衝突部位よりも排気ガスの流れ方向上流側に位置する区画壁および衝突部位よりも排気ガスの流れ方向下流側に位置する延設部の下流端側の双方に、捩り部が設けられていてもよい。
また、上記各実施例では、選択還元型触媒21を備えた排気ガス浄化装置2の上流側において噴射ノズル31の噴射口32から排気ガス中に尿素を噴射させたが、排気通路にゼオライト系触媒を備えた排気ガス浄化装置を設け、この排気ガス浄化装置よりも上流側において噴射ノズルの噴射口から排気ガス中に燃料成分(HC成分)を噴射するようにしてもよいのはもちろんである。
更に、上記各実施例では、ディーゼルエンジンの排気通路構造に適用した場合について述べたが、運転条件によっては排気ガスとともにNOxが排出される筒内噴射ガソリンエンジンの排気通路構造に適用されていてもよいのはいうまでもない。
1 排気通路
11 枝管
12,13 上側および下側の通路(通路)
12′,13′ 通路
14 区画壁
141 延設部
142 延設部
15 区画壁
150 捩り部
151 延設部
16 区画壁
161 延設部
2 排気ガス浄化装置
3 添加剤噴射装置
41,42 孔部
m 排気通路の軸線
11 枝管
12,13 上側および下側の通路(通路)
12′,13′ 通路
14 区画壁
141 延設部
142 延設部
15 区画壁
150 捩り部
151 延設部
16 区画壁
161 延設部
2 排気ガス浄化装置
3 添加剤噴射装置
41,42 孔部
m 排気通路の軸線
Claims (3)
- エンジンの排気通路に配置された排気ガス浄化装置の上流側に、上記排気通路内に添加剤を噴射する添加剤噴射装置が設けられた排気通路構造であって、
上記添加剤噴射装置よりも排気ガスの流れ方向上流側の排気通路は、その内部を排気ガスの流れ方向に延びる区画壁によって複数の通路に区画されており、
上記区画壁には、上記添加剤噴射装置と向き合うように排気ガスの流れ方向下流側へ延設された延設部が設けられていることを特徴とする排気通路構造。 - 請求項1に記載の排気通路構造において、
上記延設部は、上記添加剤噴射装置からの添加剤が衝突する衝突部位において開口する孔部を備えていることを特徴とする排気通路構造。 - 請求項1または請求項2に記載の排気通路構造において、
上記添加剤噴射装置からの添加剤が衝突する衝突部位よりも排気ガスの流れ方向上流側の上記区画壁、および上記衝突部位よりも排気ガスの流れ方向下流側の上記延設部の少なくとも一方には、その一方を上記排気通路の軸線回りに捩った捩り部が設けられていることを特徴とする排気通路構造。
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2008
- 2008-01-08 JP JP2008000989A patent/JP2009162122A/ja active Pending
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